在x射線包裹圖像中進(jìn)行液體物品自動(dòng)識(shí)別的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了在X射線包裹圖像中進(jìn)行液體物品自動(dòng)識(shí)別的方法，采用了一種基于容器對(duì)稱性、且邊緣可以松散組合的方法來識(shí)別圖像中是否存在液體物品的形態(tài)，本發(fā)明以圖像中的邊緣點(diǎn)為基礎(chǔ)，逐級(jí)向上，獲得邊緣點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)，進(jìn)而通過點(diǎn)對(duì)組成容器段，即容器的主體或一部分片段，最后由容器段組合形成容器的整體；如果以上各個(gè)步驟的結(jié)果，均符合容器的特點(diǎn)，則認(rèn)為找到1個(gè)液體物品；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠自動(dòng)識(shí)別包裹中規(guī)定體積的液體物品，具有較好的探測(cè)率與誤報(bào)率的平衡，在保證將包裹中大部分液體物品檢測(cè)到的同時(shí)，能夠顯著地降低誤報(bào)率。
【專利說明】在X射線包裹圖像中進(jìn)行液體物品自動(dòng)識(shí)別的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在X射線包裹圖像中進(jìn)行液體物品自動(dòng)識(shí)別的方法，屬于X射線安全檢查【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，在民航安全檢查操作規(guī)范中，100毫升以上的液體是禁止攜帶的。未來，隨著液體探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)會(huì)實(shí)行液體取出檢查的模式，即旅客需將行李包裹中攜帶的液體物品取出，液體物品單獨(dú)通過安檢設(shè)備的掃描判讀。最終，市場(chǎng)所期待的模式是可以允許液體放在包裹中自動(dòng)進(jìn)行探測(cè)，從而判斷其危險(xiǎn)性。這上述3種模式下，都需要一種能夠?qū)械囊后w物品自動(dòng)識(shí)別出來的技術(shù)，前兩種模式下需要防止液體物品被藏在包裹里混過安檢，最后一種模式則需要通過鎖定液體物品的位置再進(jìn)行有針對(duì)性的探測(cè)。
[0003]目前，在X射線安檢【技術(shù)領(lǐng)域】中圖像識(shí)別工作做得最突出的，是加拿大的OptoSecurity公司其已經(jīng)申請(qǐng)了一系列關(guān)于包裹圖像中目標(biāo)識(shí)別的專利，并與海曼這樣的業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍公司建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系。在其美國(guó)專利20120275646A1中，提到了一種在X射線包裹圖像中液體物品的自動(dòng)識(shí)別方法。該方法首先在圖像中分割具有液體材料特性的區(qū)域，提取相關(guān)區(qū)域的材料、灰度、形狀特征，通過融合所分割的區(qū)域，識(shí)別是否存在液體物品。此外在其他個(gè)別文獻(xiàn)中見到的有關(guān)X射線圖像自動(dòng)檢測(cè)液體物品的論文，則都屬于探索階段的嘗試。
[0004]基于分割區(qū)域的識(shí)別，可以識(shí)別背景較為簡(jiǎn)單的液體物品。但是，當(dāng)液體物品與較為復(fù)雜的背景物體重疊成像時(shí)，上述分割區(qū)域的識(shí)別和融合，將變得非常困難；如果降低對(duì)于分割區(qū)域突出性的要求，將會(huì)造成可搜索的分割區(qū)域過多，從而造成誤報(bào)警變多。
[0005]目前在安全檢查領(lǐng)域，液體物品是被禁止帶上飛機(jī)的，通常靠旅客的自覺和安檢員肉眼觀察安檢圖像來防止旅客將液體放在行李箱中。如果能有效地自動(dòng)識(shí)別包裹中的液體物品，可降低安檢員的工作強(qiáng)度、并提高安全系數(shù)。同時(shí)，自動(dòng)識(shí)別液體物品的技術(shù)也為將來包裹內(nèi)自動(dòng)探測(cè)液體的技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，即在前述第三種液體不需取出的檢查模式下首先確定液體的位置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述技術(shù)問題的在X射線包裹圖像中進(jìn)行液體物品自動(dòng)識(shí)別的方法，本發(fā)明采用了一種基于容器對(duì)稱性、且邊緣可以松散組合的方法來識(shí)別圖像中是否存在液體物品的形態(tài)，從而可以增強(qiáng)識(shí)別算法的穩(wěn)定性。
[0007]本發(fā)明以圖像中的邊緣點(diǎn)為基礎(chǔ)，逐級(jí)向上，首先獲得邊緣點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)，進(jìn)而通過點(diǎn)對(duì)組成容器段，即容器的主體或一部分片段，最后由容器段組合形成容器的整體；如果以上各個(gè)步驟的結(jié)果，均符合容器的特點(diǎn)，則認(rèn)為找到I個(gè)液體物品。
[0008]本發(fā)明所述方法在獲取包裹的安檢圖像之后，具體包括以下步驟:
[0009]I)圖像降分辨率；
[0010]2)圖像邊緣點(diǎn)檢測(cè)；
[0011]3)搜索并組成彼此具有對(duì)稱性的邊緣點(diǎn)對(duì)；
[0012]4)點(diǎn)對(duì)的霍夫變換，從而找到點(diǎn)對(duì)集中、容器可能出現(xiàn)的位置參數(shù)；
[0013]5)根據(jù)步驟4)找到的位置參數(shù)，尋找容器段；
[0014]6)尋找各容器段的容器特征，包括灰度分布、容器壁材質(zhì)、瓶頸或瓶蓋的形狀；
[0015]7)將合適的容器段組合在一起，形成容器的主體，從而找到圖像中的液體物品。
[0016]本發(fā)明所述方法是一種基于邊緣信息、從微觀邊緣點(diǎn)最終組合形成容器主體的策略，本發(fā)明利用了容器特有的形狀、灰度、材料特性的約束。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠自動(dòng)識(shí)別包裹中規(guī)定體積的液體物品，具有較好的探測(cè)率與誤報(bào)率的平衡，在保證將包裹中大部分液體物品檢測(cè)到的同時(shí)，能夠顯著地降低誤報(bào)率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的原理示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明的邊緣點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)的對(duì)稱關(guān)系示意圖，帶箭頭的線段表示邊緣點(diǎn)的梯度方向；
[0020]圖3為本發(fā)明的一個(gè)點(diǎn)對(duì)的連線上各像素點(diǎn)的X射線衰減量曲線的示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明在容器段的一端搜索組成瓶頸及瓶蓋輪廓的點(diǎn)對(duì)的示意圖；
[0022]圖5為本發(fā)明的容器段組合成容器的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1給出了本發(fā)明所述方法的原理示意圖，表示從邊緣點(diǎn)，到點(diǎn)對(duì)，到容器段，最后形成容器的識(shí)別過程，這種原理有助于克服液體因與其它物體重疊成像使瓶子輪廓被截成多段的問題。
[0024]具體處理步驟如下:
[0025]1.通過圖像下采樣技術(shù)把X射線包裹圖像的長(zhǎng)、寬下降到原來的1/4，并利用中值濾波去噪，以免后續(xù)步驟對(duì)微小邊緣產(chǎn)生過度的反應(yīng)；
[0026]2.邊緣點(diǎn)的檢測(cè)并分組；
[0027]邊緣點(diǎn)的檢測(cè)用Canny算法，接下來根據(jù)檢測(cè)到的各邊緣點(diǎn)的材料值M,將所有邊緣點(diǎn)分組為:1)金屬點(diǎn)，2)玻璃或陶瓷點(diǎn)，3)近似塑料點(diǎn)；根據(jù)邊緣點(diǎn)的梯度方向的角度，將所有邊緣點(diǎn)分成9組，平分O?180度的角度空間；上述兩方面結(jié)合，總共將圖像的邊緣點(diǎn)分成27組Gf ,Gf U = I?其中上腳標(biāo)m代表金屬、g代表玻璃、p代表塑料。
[0028]3.搜索邊緣點(diǎn)對(duì),注意下文所述的點(diǎn)都是步驟2中提取的邊緣點(diǎn)；
[0029]設(shè)I個(gè)邊緣點(diǎn)q屬于塑料點(diǎn)，并屬于G/組，則只需在GA、Gpj、這3組中搜索與q可匹配的邊緣點(diǎn)q’，組成點(diǎn)對(duì)即可，對(duì)于金屬點(diǎn)或玻璃點(diǎn)也是類似地在同種材料的組中搜索點(diǎn)對(duì)；在搜索中，排除兩點(diǎn)梯度方向差別超出閾值、梯度值差別超出閾值的組合。點(diǎn)對(duì)的意義如圖2所示；對(duì)于點(diǎn)對(duì)q、q’，設(shè)L是q與q’的連線，設(shè)q、q’各自的梯度方向所在的直線為ΙΛΙ/，要求L與ΙΛΙ/的夾角a (q，L)、a (q，，L)是近似相等的，并且q、q’兩點(diǎn)的梯度方向是相對(duì)的而非相背的或同向的。
[0030]4.點(diǎn)對(duì)的霍夫(Hough)變換；
[0031]首先對(duì)搜集到的點(diǎn)對(duì)(q，q’)，求出此點(diǎn)對(duì)的對(duì)稱軸直線S，S是穿過q、q’連線L的中點(diǎn)且方向與L正交的直線。根據(jù)此對(duì)稱軸直線S的極坐標(biāo)表達(dá)S(0，r)以及兩點(diǎn)距離d，以I a (q, L)-a (q，，L) |為權(quán)重將當(dāng)前點(diǎn)對(duì)累計(jì)到一個(gè)Hough( θ，r, d)的3維表格中，其中3維分量各自選擇合適的表格跨度；Θ表示直線S的斜率角度，r表示S到圖像原點(diǎn)的垂直距離。對(duì)所有點(diǎn)對(duì)執(zhí)行上述操作后，通過在HoUgh(0，r，d)表中尋找累計(jì)分?jǐn)?shù)超過閾值且局部最大的參數(shù)組合(Θ，r，d)，作為下一步分析的對(duì)象。
[0032]5.尋找容器段；
[0033]容器段表示容器區(qū)域中的一段區(qū)域，在容器段中容器兩邊的輪廓對(duì)稱地出現(xiàn)；由于X射線圖像中物體經(jīng)常疊加成像，所以往往不能立即找到容器的整體，所以先尋找容器段。對(duì)于在步驟4中符合要求的(0，r，d)組合，將屬于該參數(shù)組合的所有點(diǎn)對(duì)的兩點(diǎn)垂直投影到直線S(0，r)上，在S(0，r)上考察這些投影點(diǎn)的分布，尋找S(0，r)上連續(xù)出現(xiàn)投影點(diǎn)且投影點(diǎn)局部密度足夠高的線段。S(0，r)上連續(xù)、高密度地出現(xiàn)這種投影點(diǎn)的線段，組成了 I個(gè)容器段的對(duì)稱軸，即以直線S(0，r)為對(duì)稱軸直線，在這片區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)寬度為d的容器段，當(dāng)然目前只是可能的容器段；每個(gè)容器段記錄下自己的對(duì)稱軸直線和對(duì)稱軸線段兩端的位置。此外，還要對(duì)所述容器段下轄的點(diǎn)對(duì)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，在S(0，r)上投影位置相近的各點(diǎn)對(duì)的各點(diǎn)之間，根據(jù)步驟3所述的點(diǎn)對(duì)對(duì)稱規(guī)則，重新尋找這些點(diǎn)的兩兩對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而形成在局部相對(duì)于S( Θ，r)真正最優(yōu)的點(diǎn)對(duì)組合。
[0034]6.尋找容器段的容器特征；
[0035]容器特征主要有:(I)容器段中靠近對(duì)稱軸的中心區(qū)域是否出現(xiàn)X射線衰減量的凸起；(2)判斷容器的材質(zhì)；(3)在容器段的一端是否存在瓶頸或瓶蓋的形狀。前(I)、(2)兩點(diǎn)反映了一個(gè)液體容器的投影灰度的整體規(guī)律，第(3)點(diǎn)則反映了容器的最典型部件。
[0036]I)對(duì)于容器段中部的凸起或鼓肚，如圖3所示，建立此容器段所有點(diǎn)對(duì)(q，q’ )連線上各像素的X射線衰減量的曲線，在每條曲線中，考察兩邊1/5即A、E區(qū)域、靠近中間的1/5即B、D區(qū)域、正中間的1/5即C區(qū)域這5部分平均衰減量之間的對(duì)比。在此直接用區(qū)域編號(hào)代表該區(qū)域的平均灰度，如果C/A、C/B、C/D、C/E、B/A、D/E均大于各自指定的閾值，則認(rèn)為在此衰減量曲線上存在凸起；如果I個(gè)容器段所屬的大多數(shù)點(diǎn)對(duì)之間的衰減量曲線都存在凸起，則認(rèn)為此容器段存在凸起。
[0037]2)容器的玻璃、金屬材質(zhì)的識(shí)別，在容器段的各點(diǎn)對(duì)的兩點(diǎn)的附近，如果普遍呈現(xiàn)的是玻璃容器特有的材料特性或金屬容器的材料特性，則認(rèn)為當(dāng)前容器段可能對(duì)應(yīng)玻璃容器或金屬容器，例如鐵罐飲料。X射線圖像的材料特性可由材料值M及偽彩色R值的組合來表示，何種材料特性對(duì)應(yīng)玻璃和金屬，這個(gè)規(guī)律在事先準(zhǔn)備的訓(xùn)練圖像中統(tǒng)計(jì)得到，并建立相應(yīng)的查表機(jī)制；其它容器段可以認(rèn)為對(duì)應(yīng)塑料容器。
[0038]3)瓶頸或瓶蓋形狀的搜索，在容器段的兩端，向容器段之外延伸搜索瓶頸或瓶蓋，這主要是針對(duì)的是小口瓶；由于瓶頸或瓶蓋輪廓的邊緣點(diǎn)檢測(cè)常不完整、不對(duì)稱，于是就沿著容器段的對(duì)稱軸直線S，在容器段的兩端向外延伸搜索邊緣點(diǎn)并形成點(diǎn)對(duì)，這些點(diǎn)對(duì)的對(duì)稱軸直線接近S ;具體做法是:從容器段一端的端點(diǎn)出發(fā)，沿著S向容器段以外的方向每前進(jìn)一個(gè)單位距離，例如I個(gè)像素的長(zhǎng)度，在S的當(dāng)前位置Sp處進(jìn)行一次如下的搜索:在Sp處沿著與S正交的直線向S的兩側(cè)探索邊緣點(diǎn)，如果在兩側(cè)合適的范圍內(nèi)各找到I個(gè)邊緣點(diǎn)，就考察此2個(gè)邊緣點(diǎn)是否能按步驟3所述的原則確定為對(duì)稱于S的點(diǎn)對(duì)，但步驟3中各項(xiàng)閾值的要求相應(yīng)降低，同時(shí)要求兩邊緣點(diǎn)上的材料特性與容器段的容器材質(zhì)相似。如圖4所示，這些新搜出的邊緣點(diǎn)對(duì)被認(rèn)為可能形成容器的瓶頸或瓶蓋的輪廓，分析這些點(diǎn)對(duì)的間距的變化趨勢(shì)是否符合容器規(guī)則，從而判斷是否存在瓶頸或瓶蓋:
[0039]a)按點(diǎn)對(duì)被搜到的先后順序，要求點(diǎn)對(duì)的間距由大到小，并且在各點(diǎn)對(duì)的間距組成的曲
[0040]線中，二階導(dǎo)數(shù)過O點(diǎn)不超過2處；
[0041]b)在這組點(diǎn)對(duì)的最后部分，點(diǎn)對(duì)的間距寬度較為穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)瓶蓋的形態(tài)；
[0042]c)瓶頸長(zhǎng)度與容器段寬度的比值要合理。
[0043]7.組合容器段；
[0044]綜上所述，容器段主要分如下的幾種類型；玻璃容器段，稱為TO類型，其余容器段類型在表I中列出，在表I中第一列的值如果為No表示此行的容器段類型對(duì)應(yīng)塑料容器。
[0045]表I容器段的類型
[0046]
是否為金屬容器I凸起的I有瓶頸或瓶蓋I類型編號(hào)
YesYesYesTl




T2




T3
~sT4
NoYesYesT5
~sT6




T7




Τ8
[0047]接下來，對(duì)容器段開始組合，如圖5所示，將那些對(duì)稱軸的直線參數(shù)相近、彼此距離接近、寬度相近的容器段組合起來，形成I個(gè)容器；注意:1)單個(gè)容器段就有可能對(duì)應(yīng)I個(gè)容器；2)在組合容器段時(shí)，如果出現(xiàn)了被組合的各容器段的對(duì)稱軸呈蛇形分布，當(dāng)前組合取消，原因是在X射線安檢圖像中，容器投影可能是彎曲的，但只能向I個(gè)方向彎曲，不會(huì)形成蛇形彎曲。
[0048]同時(shí)，在容器段的組合中，根據(jù)常識(shí)設(shè)置規(guī)則，例如，若干個(gè)Τ2類型的容器段，可能組合出I個(gè)金屬易拉罐液體物品；或者I個(gè)Τ3類型容器段和若干個(gè)Τ4類型容器段組成I個(gè)有瓶頸的扁金屬容器；1個(gè)Τ5容器段和若干個(gè)Τ6容器段組成I個(gè)塑料容器，例如典型的瓶裝純凈水就屬于此種情況；1個(gè)Τ7容器段和若干個(gè)Τ8容器段可以組成類似盛裝洗發(fā)水的塑料容器；而單獨(dú)的Τ8類型容器段，通常不認(rèn)為存在容器?？傊凑丈钪谐Ｒ姷囊后w物品的形態(tài)進(jìn)行容器段的組合。
[0049]在找到容器段的I個(gè)合理組合之后，還要考察組合形成的容器在尺寸和長(zhǎng)寬比上的合理性。例如，對(duì)于I個(gè)預(yù)期為易拉罐的組合，如果其寬度過小或過大，又或者長(zhǎng)度過長(zhǎng)或過短，都可以排除這個(gè)容器的組合。最終，對(duì)剩下的容器組合，將其通知上層軟件系統(tǒng)，在安全檢查設(shè)備屏幕上對(duì)應(yīng)容器的位置進(jìn)行報(bào)警。
[0050]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)，能夠輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.在X射線包裹圖像中進(jìn)行液體物品自動(dòng)識(shí)別的方法，其特征在于:以圖像中的邊緣點(diǎn)為基礎(chǔ)，逐級(jí)向上，首先獲得邊緣點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)，進(jìn)而通過點(diǎn)對(duì)組成容器段，即容器的主體或一部分片段，最后由容器段組合形成容器的整體；如果以上各個(gè)步驟的結(jié)果，均符合容器的特點(diǎn)，則認(rèn)為找到I個(gè)液體物品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在X射線包裹圖像中進(jìn)行液體物品自動(dòng)識(shí)別的方法，其特征在于，在獲取包裹的安檢圖像之后，具體包括以下步驟: 1)圖像降分辨率； 2)圖像邊緣點(diǎn)檢測(cè)； 3)搜索并組成彼此具有對(duì)稱性的邊緣點(diǎn)對(duì)； 4)點(diǎn)對(duì)的霍夫變換，從而找到點(diǎn)對(duì)集中、容器可能出現(xiàn)的位置參數(shù)； 5)根據(jù)步驟4)找到的位置參數(shù)，尋找容器段； 6)尋找各容器段的容器特征，包括灰度分布、容器壁材質(zhì)、瓶頸或瓶蓋的形狀； 7)將合適的容器段組合在一起，形成容器的主體，從而找到圖像中的液體物品。
【文檔編號(hào)】G01V5/00GK104181176SQ201410399685
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】王宇石, 楊立瑞, 李保磊, 孔威武, 查艷麗 申請(qǐng)人:公安部第一研究所, 北京中盾安民分析技術(shù)有限公司